기계공학전공 고승환, 성형진 교수팀이 숲을 모방한 산화아연 나노구조체를 만드는 기술을 개발해, 이 기술을 염료감응형 태양전지에 적용하는 데 성공했다.

이번 연구결과는 나노과학 분야 학술지인 <나노 레터스> 1월호 온라인 판에 게재되었다.

태양전지는 광전효과의 원리를 이용해

태양전지에는 광전효과의 원리가 적용된다. 광전효과란 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자(-)와 정공(+)이 발생한다.

태양전지에는 P형 반도체와 N형 반도체라는 2종류의 반도체가 있는데, 전자(-)는 N형 반도체로, 정공(+)은 P형 반도체로 이동한다. 전자가 이동하면서 P극과 N극 사이에 전위차가 발생해, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐른다.

다양한 종류의 태양전지

태양전지는 1세대 태양전지, 2세대 태양전지, 3세대 태양전지로 구분된다.

1세대 태양전지는 P형과 N형 반도체를 접합한 단일 접합 구조로, 실리콘 태양전지가 대표적이다. 비용이 많이 들며, 얇게 만들 수 없고, 유연성이 적다는 단점이 있다. 2세대 태양전지는 박막형 태양전지로 대량생산이 가능하고, 얇은 필름 형태로 제작할 수 있다. 하지만, 빛을 흡수하는 효율이 낮다는 단점이 있다. 3세대 태양전지로는 유기 태양전지(Organic Photovoltaics)와 염료감응형 태양전지(Dye Sensi-tized Solar Cell)가 있다. 유기 태양전지는 빛을 흡수하는 재료로 작은 입자의 유기 분자를 이용하고, 염료감응형 태양전지는 착색제로 이용되는 염료를 사용한다.

기계공학전공 고승환, 성형진 교수팀에서는 이 중 염료감응형 태양전지의 구조체를 만들어 빛에너지에서 전기에너지로의 변환 효율을 높이는 연구를 해왔다.

차세대 태양전지, 염료감응형 태양전지

염료감응형 태양전지는 염료를 전도성 기판에 부착시켜 광전효과로 발생한 전자를 전기에너지로 저장한다. 실리콘 태양전지와 박막형 태양전지보다 효율이 높고 비용이 저렴해 관련 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

기존의 염료감응형 태양전지는 산화티타늄(TiO2) 나노입자를 염료로 이용한다. 그런데 산화티타늄을 사용하면 전극에서 생성된 전자가 정공이 존재하는 다공성 구조체를 지나면서 정공과 전자가 재결합해 전자가 줄어들면서 에너지 손실이 발생한다. 이에 고 교수팀은 더 효율적인 재료인 산화아연(ZnO)을 이용해 연구를 진행했다.

숲의 형태로 보다 더 많은 빛을 흡수해

태양전지가 효율적으로 에너지를 생산하기 위해서는 받아들이는 빛의 양이 많아야 한다. 받아들이는 빛의 양은 염료 구조의 형태에 따라 달라질 수 있다.

고 교수팀에서는 자연계에서 무성한 나뭇가지와 나뭇잎이 햇빛을 효과적으로 흡수하도록 한 구조에 착안해, 산화아연 나노와이어로 나노 나무를 만들었다. 그리고 이들을 접합해 나노 숲을 구현, 더 효율적으로 빛을 흡수하도록 했다.

이렇게 하면 광 반응으로 생성된 전자의 손실을 크게 줄일 수 있어, 기존의 튜브형 구조체와 비교해 효율이 3~5배 향상된다.

태양전지의 새로운 패러다임이 될 것

이 연구는 염료감응형 태양전지 분야에 새로운 연구방향을 제시했다는 점에서 의의가 있다.

고 교수는 이번 연구에 대해 “산화아연 나노와이어 기술과 새로운 나노구조체의 개발로 이 분야에서 세계적 수준을 갖추게 되었다”라며 “광센서 디스플레이 등의 다양한 전자기기 연구에 이번 기술이 적용될 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

연구에 참여한 강현욱 학우(기계공학전공 박사과정)는 이번 연구 결과에 대해 “자연의 이치를 기술 개발에 이용했다는 점에서 의의가 있다”라며 “식물이 빛에너지를 ATP로 전환하는 광합성을 모방해 태양전지가 만들어진 것처럼, 이번 연구도 나무가 빛을 흡수하는 구조에 착안했기에 좋은 연구 결과가 나올 수 있었다”라고 덧붙였다. 이어, 강 학우는 “이번에 발견한 나노구조체는 염료감응형 태양전지의 새로운 패러다임으로서 이 분야를 선도해 나갈 것이다”라고 밝혔다.